INGEGNERIA FORENSE STRUTTURALE: BASI DEL PROGETTO E RICOSTRUZIONE DEI COLLASSI

IF CRASC ’15 III CONVEGNO DI INGEGNERIA FORENSE

VI CONVEGNO SU CROLLI, AFFIDABILITÀ STRUTTURALE, CONSOLIDAMENTO

SAPIENZA UNIVERSITA’ DI ROMA, 14-16 MAGGIO 2015

INGEGNERIA FORENSE STRUTTURALE:

BASI DEL PROGETTO E RICOSTRUZIONE DEI COLLASSI

F. Bontempi Università degli studi di Roma “La Sapienza”

SOMMARIO

Il presente contributo è basato sull’idea che la ricostruzione di una crisi strutturale (semplice

rottura o collasso vero e proprio) sia basata su una chiara, corretta, e profonda conoscenza e

comprensione delle basi di progetto che portano alla concezione di una costruzione e del

processo di analisi che ne verifica la sicurezza e le prestazioni.

Partendo da questa idea, l’articolo cerca di presentare in modo sintetico, ma ordinato, nell’in-

troduzione l’orizzonte temporale e la traiettoria di vita che una costruzione può esperire, evi-

denziando nel successivo paragrafo il carattere sistemico di una struttura, ovvero enfatiz-

zando la organizzazione gerarchica degli elementi strutturali che la formano: da questa ultima

descrizione, si possono coerentemente valutare i livelli di crisi che si possono manifestare,

giudicarne la gravità e indagarne i motivi.

Successivamente, una riflessione necessaria riguarda la natura delle azioni che possono ci-

mentare una costruzione, con le loro origini e caratteristiche in termini di intensità, probabi-

lità di accadimento e gravità di conseguenze. Questo è un aspetto delicato, che dà il giusto

rilievo agli accadimenti e agli approcci di analisi e di indagine necessari: questo punto è

analogo all’idea che in una costruzione non tutti gli elementi hanno le stesse caratteristiche e

la stessa importanza. Queste considerazioni generali non appaiono adeguatamente rimarcate

dal quadro normativo corrente, spesso più attivo nelle descrizioni di dettaglio.

Nel quarto paragrafo, si esamina la complessità di un problema strutturale (adattando uno

schema noto in letteratura dai lavori di Perrow) e i differenti tipi di situazioni di progetto:

evolutivo o innovativo. Questa distinzione è importante al fine di rendersi conto delle cono-

scenze (competenze) che si devono avere nell’affrontare il progetto: competenze che se man-

canti o deficitarie possono essere origine di crisi strutturali.

Esaminati seppur brevemente questi punti (orizzonte temporale e prestazionale di una strut-

tura, sua organizzazione sistemica, natura delle azioni che possono cimentarla, possibili ra-

gioni della complessità del problema strutturale associato), nel quinto paragrafo, si riporta il

modello generale della genesi e dello sviluppo di un fallimento strutturale secondo Reason.

L’ultimo paragrafo fornisce, infine, indicazioni sulla ricostruzione dell’evento e la risalita

alle responsabilità dal punto di vista ingegneristico.

F. Bontempi

1. INTRODUZIONE

La progettazione strutturale corrente si trova a dovere affrontare costruzioni con un grado di

complessità notevolmente maggiore che in passato, a causa di più stretti requisiti prestazio-

nali, legati a interazioni con l’ambiente e lungo un preciso orizzonte temporale. I vincoli

economici e la sostenibilità ambientale costringono, infatti, a considerare un insieme di pro-

blematiche che possono essere riassunte nella Fig.1 (Arangio, Bontempi, Ciampoli, 2011;

Arangio, Bontempi, 2010). Nel diagramma ideale riportato, si individua:

1. sull’asse verticale, l’integrità strutturale che riassume sinteticamente la qualità di una

costruzione: essa è il complesso di tutte le caratteristiche strutturali (rigidezza, resistenza,

stabilità, duttilità,…) che caratterizzano una costruzione in termini di funzionalità e di

sicurezza;

2. lungo il corso della vita di una costruzione, si può intendere che questa qualità degradi:

in effetti, a causa delle continue azioni ambientali, della fatica dovuta a azioni cicliche,

dell’invecchiamento endogeno, si ha una progressiva diminuzione di integrità strutturale;

accanto a questo processo continuo, eventi specifici, discreti, come azioni accidentali o

errori di origine antropica, possono provocare brusche perdite di integrità strutturale; in

definitiva, con “durabilità” si misura la capacità di una struttura di avere un limitato

degrado nel tempo, mentre la “robustezza” è la proprietà della struttura di mostrare un

limitato e proporzionale degrado a seguito di un evento negativo;

3. l’integrità strutturale è quindi rappresentabile lungo la vita della costruzione da un punto

che percorre una traiettoria come indicato in Fig.1; nel caso questa integrità scenda sotto

un livello inaccettabile, può decidersi un ripristino della struttura: in termini generali, la

facilità con cui una struttura o una infrastruttura può ripristinare la sua qualità è definita

“resilienza”.

Figura 1. Interazioni ambientali e orizzonte temporale nella progettazione strutturale: integrità strut-

turale, durabilità, robustezza e resilienza.

A questo quadro evolutivo, corrispondono configurazioni differenti della struttura: con rife-

rimento alla Fig.2, si possono individuare le condizioni “as designed”, ovvero come la strut-

tura è concepita e dimensionata idealmente, “as built” ovvero come essa è realizzata con le

RESILIENCE

Ingegneria forense strutturale: basi del progetto e ricostruzione dei collassi

inevitabili imperfezioni e i possibili errori, “as actual” con le caratteristiche correnti in un

certo istante, e, infine, “as failed” ovvero come appare la costruzione in seguito a una crisi

strutturale.

L’Ingegneria Forense intesa come studio delle crisi strutturali appare quindi come l’ultima

frontiera per comprendere sia il comportamento strutturale, eventualmente affetto da errori e

debolezze latenti, sia l’insieme delle azioni, remote o contingenti, che hanno portato al col-

lasso. In questo senso, l’Ingegneria Forense deve ricostruire a ritroso la traiettoria di vita della

costruzione e appare quindi un procedimento inverso rispetto alla progettazione strutturale:

quest’ultima prevede il futuro, mentre la prima deve ricostruire il passato.

Proprio per questo, il presente articolo vuole, da una parte, evidenziare i punti critici della

progettazione strutturale, e dall’altra evidenziare come la comprensione e la ricostruzione di

questi punti costituisce compito della Ingegneria Forense; allo stesso tempo, questo permette

di evidenziarne il ruolo nell’avanzamento della conoscenza necessaria alla progettazione

strutturale.

Figura 2. Evoluzione dell’integrità strutturale lungo la traiettoria di vita di una costruzione: configu-

razioni “as designed”, “as built”, “as actual” e “as failed”.

2. SISTEMA STRUTTURALE E SUE CARATTERISTICHE

L’Ingegneria Strutturale è un settore trasversale che si basa su concetti, principi, metodologie

di analisi e progetto comune ai vari ambiti di applicazione: infatti, termini come equilibrio,

congruenza, sicurezza sono intesi in ambito Civile, Meccanico, Aeronautico, Navale, ecc.

Nonostante ciò, il settore Civile ha sempre avuto delle peculiarità legate, da una parte, al fatto

di non avere, generalmente, una produzione ripetitiva di costruzioni (tipica dei settori indu-

strializzati) e dall’altro di affrontare condizioni intrinseche (caratteristiche dei materiali uti-

lizzati) e al contorno (carichi, vincoli, ecc.) soggette ad un elevato grado di ambiguità e in-

certezza. Nel tempo, questo ha comportato uno sviluppo di procedimenti di analisi e di pro-

getto anche, alle volte, efficaci, ma spesso largamente incoerenti e approssimati.

Questa mancanza di coesione di impostazione è stata anche alimentata da quadri normativi

spinti perniciosamente a livelli di dettaglio tali da far perdere l’unitarietà della concezione

strutturale e dei problemi di analisi e progettazione. In questo senso, paradossalmente il qua-

RESILIENCERESILIENCE

CO

NS

TR

UC

TIO

NS

NEW

EXISTING

COLLAPSED

“As Designed”

“As Built”

“As Actual”

“As Failed”

F. Bontempi

dro normativo appare essere una delle cause della perdita della capacità di analizzare com-

piutamente i problemi strutturali e di risolverli sintetizzando soluzioni corrette. A contribuire

a questa perdita, concorre anche la gran parte della formazione universitaria, piegata sulla

mera riproposizione degli aspetti normativi piuttosto che impegnata nella educazione ai con-

cetti fondanti l’Ingegneria (Simon, 1996).

Un ulteriore fattore disgregante appare essere l’uso superficiale dei codici di calcolo struttu-

rale: l’introduzione generalizzata di mezzi di calcolo automatico che avrebbe dovuto liberare

i progettisti dagli aspetti più ripetitivi dell’analisi strutturale, ha invece spesso appiattito gli

aspetti più nobili della concezione strutturale al rispetto pedante delle verifiche normative.

Questa perdita di visione unitaria nella concezione strutturale e nel processo di verifica della

sicurezza di una costruzione appare essere diffusamente una causa di insuccesso nell’Inge-

gneria Strutturale Civile. D’altra parte, questo modo di procedere, largamente incoerente e

sconnesso, perso negli aspetti di dettaglio, appare non più accettabile dalle esigenze della

attuale Società Civile che richiede costruzioni e infrastrutture sempre più complesse, soddi-

sfacenti sempre più ampi requisiti con condizioni al contorno sempre più varie, soggette a

precisi e stringenti limiti di sostenibilità. Un esempio di quanto possa essere complesso at-

tualmente il progetto di una costruzione è illustrato in Fig.3 dove sono compresi i punti ne-

cessari nel preciso caso di sicurezza antincendio (ISO 13387; Arangio, Bontempi, 2013).

Figura 3. Quadro di riferimento per la progettazione antincendio di una struttura.

La visione attuale di come debba intendersi una costruzione richiede il riferimento al concetto

di sistema nei termini più generali. Questa visione considera la costruzione come un insieme

organizzato e gerarchico di parti. Nella Fig.4 si illustra questo punto, dove lo schema teorico

(a) che illustra come si dispiegano i successivi livelli di scala strutturale sono applicati in (b)

a un ponte sospeso; infine, in (c) si correla la definizione della variabili di progetto alle pre-

stazionali (Bontempi, 2005; Bontempi, 2006; Petrini, Manenti, Gkoumas, Bontempi, 2010).

SS0a

PRESCRIBED

DESIGN

PARAMETERS

SS0b

ESTIMATED

DESIGN

PARAMETERS

SS1

initiation and

development

of fire and

fire efluent

SS2

movement of

fire effluent

SS3

structural response

and fire spread

beyond enclosure

of origin

SS4

detection,

activitation and

suppression

SS5

life safety:

occupant behavior,

location and

condition

SS6

property

loss

SS7

business

interruption

SS8

contamination

of

environment

SS9

destruction

of

heritage

(0)

DESIGN

CONSTRAINTS

AND

POSSIBILITIES

(1+2)

ACTION

DEFINITION

AND

DEVELOPMENT

(3+4)

SYSTEM

PASSIVE

AND ACTIVE

RESPONSE

BU

S O

F I

NF

OR

MA

TIO

N

RESULTS

DESIGN

ACTION

RESPONSE

SA

FE

TY

& P

ER

FO

RM

AN

CE


(a)

(b)

(c) Figura 4. Sistema strutturale: a) schema teorico di scomposizione a differenti livelli (macro-meso-

micro); b) applicazione ad un ponte sospeso; c) organizzazione delle variabili di progetto e dei livelli

prestazionali ai diversi livelli.

SISTEMA

STRUTTURALE

PRINCIPALE

ZONE SPECIALI DI

IMPALCATO

SISTEMA DI

RITEGNO/SOSTEGNO

SISTEMA

STRUTTURALE

SECONDARIO

SISTEMA DI

SOSPENSIONE

IMPALCATO

CORRENTE

FONDAZIONI DELLE TORRI

ANCORAGGI

TORRI

SELLE

CAVI PRINCIPALI

PENDINI

CASSONI STRADALI

CASSONE FERROVIARIO

TRAVERSO

INTERNE

TERMINALI

SISTEMA STRUTTURALE

AUSILIARIO

STRADALE

FERROVIARIO

FUNZIONAMENTO

MANUTENZIONE

EMERGENZA

PONTE

MACROLIVELLO

MESOLIVELLO

MACRO-LEVEL MESO-LEVEL MICRO-LEVEL

DESIGN

VARIABLES

PE

RF

OR

MA

NC

E

LE

VE

LS

MA

CR

O-L

EV

EL

ME

SO

-LE

VE

LM

ICR

O-L

EV

EL

F. Bontempi

Questo inquadramento sistemico permette l’individuazione, ad esempio, di elementi critici o

di zone che possono svolgere un ruolo sacrificale per determinati livelli di azione.

In termini generali, questa impostazione permette di riconoscere conseguentemente i diffe-

renti livelli di crisi strutturale. Con riferimento ad un semplice telaio soggetto ad una forza

orizzontale rappresentato in Fig.5, si vede come la crisi si può manifestare I) a livello pun-

tuale (come assunto dal metodo alle tensioni ammissibili), II) a livello sezionale (come as-

sunto per le verifiche di resistenza nel formato agli stati limite), III) a livello di elemento

come assunto nelle verifiche di instabilità), IV) a livello complessivo di struttura (Bontempi,

Arangio, Sgambi, 2008).

Questi livelli di crisi, si presentano in genere in successione, con progressivi gradi di rile-

vanza: i primi tre possono essere associati agli usuali formati di verifica agli Stati Limite,

mentre solo l’ultimo permette di valutare compiutamente il riverbero delle crisi locali sulla

intera struttura. Questo è in particolare utile nel caso di verifiche di robustezza strutturale, in

cui la struttura è esaminata in condizioni non più nominali, ovvero nel suo stato perfetto e

integro, ma nello stato danneggiato o in una configurazione errata (Fig.6) (Starossek, 2009).

Non solo. La visione sistemica, che considera la struttura nel suo complesso, permette di

discriminare anche tra meccanismi di collasso con differente natura: con riferimento alla

Fig.7, è evidente che, a parità di moltiplicatore di carico, una modalità di collasso di tipo “no

sway” è da preferirsi a una modalità di tipo “sway” che può coinvolgere altre strutture e

propagarsi, risultando in possibile effetto domino, ovvero in un collasso progressivo. Questo

livello di impostazione è quello richiesto nei casi di scenari estremi in cui può trovarsi la

struttura, in cui è necessario giudicare anche collassi “buoni” o “cattivi” (Bontempi, 2006).

Figura 5. Livelli di crisi strutturale: I) puntuale; II) sezionale; III) elemento; IV) struttura.


Figura 6. Robustezza strutturale: progressivo degrado della qualità strutturale dalla configurazione

nominale a quella in cui è presente danneggiamento o errore.

Figura 7. Meccanismi di collasso con differente natura: carattere implosivo del collasso “no sway” e

carattere non confinato del collasso “sway”.

3. AMBIENTE DI PROGETTO, ORIZZONTE TEMPORALE E NATURA DELLE

AZIONI

Il sistema strutturale così individuato è soggetto ad una molteplicità di azioni. Una costru-

zione nello spazio interagisce con l’ambiente circostante. Facendo riferimento alla Fig.8, ad

esempio, ad azioni ambientali come il vento o le onde marine, si distingue in generale (Petrini,

Li, Bontempi, 2010; Gkoumas, Li, Zhou, Petrini, Bontempi, 2011):

a) una regione dello spazio distante dalla struttura, in cui le azioni non risentono della pre-

senza della costruzione (“far field region”);

QUALITY

DAMAGE or ERROR

REQUIRED PERFORMANCE

NOMINALPERFORMANCE

NOMINAL SITUATION

STRUCTURE

& LOADS

Collapse

Mechanism

NO SWAY

“IMPLOSION”

OF THE

STRUCTURE

“EXPLOSION”

OF THE

STRUCTURE

is a process in which

objects are destroyed by

collapsing on themselves

is a process

NOT CONFINED

SWAY

F. Bontempi

b) una regione dello spazio in cui le azioni risentono della presenza della costruzione e inte-

ragiscono con essa (“exchange zone”);

c) quando queste azioni sono trasformate in carichi agenti sulla struttura propria.

Figura 8. Ambiente di progetto: “far field region” e “exchange zone”.

E’ nota l’idea che possano svilupparsi fenomeni di interazione aero-elastica o idro-elastica.

Una situazione meno apparente si ha quando anche il comportamento umano può influire con

retroazioni la dinamica dello svolgimento dell’azione sulla struttura. E’ questo il caso delle

situazioni che coinvolgono l’azione incendio (Gentili, Giuliani, Bontempi, 2011): con riferi-

mento alla Fig.9, accanto alle interazioni “incendio - diffusione del calore - riposta termo-

meccanica”, le azioni delle persone presenti nella costruzione possono condizionare lo svol-

gimento dell’incendio, ad esempio favorendone la propagazione nel caso siano aperte delle

porte tagliafuoco. La cosa ovviamente si complica nel caso di costruzioni in cui siano presenti

impianti speciali e industriali. E’ bene sottolineare che queste situazioni aggiungono una di-

mensione nuova rispetto alle azioni ambientali usuali, dove, ad esempio in caso di sisma, il

comportamento umano non influenza lo svolgimento dell’azione. In assenza di tale intera-

zione con il comportamento umano, tali azioni si presentano più semplici.

Figura 9. Fenomeni di retroazione nello sviluppo dell’azione incendio.


Una seconda considerazione riguarda l’orizzonte temporale che coinvolge la struttura: tanto

più lunga è la vita della struttura, tanto più ampio risulta lo spettro, per tipologia e per inten-

sità, delle azioni che la struttura può esperire. Tra tutte queste azioni, una prima suddivisione

può essere tra quelle che possono essere caratterizzate statisticamente e quelle che non pos-

sono.

La Fig.10 aiuta a comprendere questo punto, facendo riferimento anche alla frequenza con

cui le azioni si presentano. Infatti, se genericamente con D si indica l’intensità dell’azione

(“domanda”), si trovano via via frequenze minori e intensità maggiori passando da situazioni

legate all’uso della struttura (funzionalità della struttura - Stati Limite di Esercizio), situazioni

legate a possibili crisi strutturali (sicurezza - Stati Limite Ultimi). Infine, esiste la possibilità

di azioni estreme, accidentali o eccezionali (da considerare in termini di robustezza strutturale

e di collasso progressivo, attraverso adeguati Stati Limite di Integrità Strutturale).

Se è vero che tutte le azioni precedenti sono situazioni individuate dalla tecnica, seppur con

differenti gradi di definizione, sono stati recentemente considerati anche altri scenari in cui

avvengono eventi chiamati “black-swan”. In questi casi, si assimila un evento con un forte

impatto e con un carattere di sorpresa: d’altra parte, una volta accaduto l'evento, questo viene

razionalizzato a posteriori. E’ enfatizzato in questo modo il ruolo sproporzionato degli eventi

a forte impatto, rari e difficili da prevedere rispetto alle normali aspettative nell'ambito della

storia, della scienza, e della tecnica e l'impossibilità di calcolare la probabilità di progressione

di eventi rari e la loro concatenazione (Olmati, Petrini, Bontempi, 2013).

Figura 10. Domanda.

In termini sintetici, le azioni ovvero gli eventi che possono manifestarsi lunga la vita di una

costruzione possono essere distinti fra eventi frequenti e con conseguenze limitate (High Pro-

bability – Low Consequences events: HPLC events), ed eventi rari con grandi conseguenze

(Low Probability – High Consequences events: HPLC events).

F. Bontempi

La Tab.1 sancisce le caratteristiche di queste due categorie di eventi: le prime tre righe con-

siderano “energia - rotture – persone” coinvolte; le tre righe successive, “non linearità – in-

terazioni – indeterminazioni” presenti; le ultime due, puntualizzano le possibilità di scom-

porre l’evento e predirne l’evoluzione.

Questa distinzione tipologica comporta anche una differenziazione di approccio di analisi.

Infatti, con riferimento alla Fig.11 si può vedere come varia l’inquadramento di studio: situa-

zioni elementari o semplici, possono essere affrontate in un quadro deterministico, con as-

sunzioni precise e di limitata ricaduta. Al crescere della complessità del problema in esame,

in cui compaiono comportamenti non lineari e indeterminazioni, approcci di tipo probabili-

stico possono essere i più appropriati, ma all’ulteriore aumento della complessità, alla man-

canza di base statistica, si può solo fare affidamento ad approcci di tipo pragmatico, basasti

sulla individuazione pragmatica di scenari supportati da giudizio esperto (Gkoumas, Crosti,

Giuliani, Bontempi, 2009).

Aspects HPLC

High Probability - Low Consequences LPHC

Low Probability - High Consequences

Release of energy SMALL LARGE

Numbers of breakdown SMALL LARGE

People involved FEW MANY

Nonlinearity WEAK STRONG

Interactions WEAK STRONG

Uncertainty WEAK STRONG

Decomposability HIGH LOW

Course predictability HIGH LOW

Tabella 1. Caratteristiche eventi HPLC e LPHC.

Figura 11. Inquadramento di situazioni HPLC e LPHC e differenziazione di approccio di analisi.

HPLCHIGH PROBABILITY

LOW CONSEQUENCES

LPHCLOW PROBABILITY

HIGH CONSEQUENCES

COMPLEXITY:Nonlinear Behavior andStructural Organization

PROBLEMFRAMEWORK

Deterministic

Stochastic

QUALITATIVE /DETERMINISTIC

ANALYSIS

QUANTITATIVEPROBABILISTIC

ANALYSIS

PRAGMATICSCENARIOS

ANALYSIS


4. NATURA DEL PROGETTO

Indubbiamente l’impegno richiesto da un problema strutturale dipende da differenti aspetti

che concorrono a individuare quella che può essere definita complessità. Questa caratteristica

è stata citata nei paragrafi precedenti e ora si può approfondirla con riferimento agli studi di

Perrow (Perrow, 1984).

La Fig.12 illustra questo concetto con una rappresentazione spaziale. Si considerano nello

specifico tre dimensioni.

La prima è delineata dalla non linearità eventualmente presente nel sistema strutturale: ov-

viamente, comportamenti lineari (proporzionali) sono senz’altro più semplici da considerare.

Una seconda dimensione è legata alla presenza nel sistema o nella sua risposta di connessioni,

accoppiamenti o interazioni: sistemi scomponibili, con parti distaccate, chiare suddivisioni,

sono più semplici. Infine, un terzo aspetto è connesso all’ambiguità e alle incertezze che

possono essere presenti (Bontempi, Gkoumas, Arangio, 2008).

In definitiva, allontanandosi dall’origine di questo spazio (passando da comportamenti lineari

a non lineari, da accoppiamenti e interazioni lasche a strette, da indeterminazioni limitate a

estese) il problema strutturale diventa più complesso.

Figura 12. Complessità di un progetto e di un sistema strutturale.

Questa complessità è la caratteristica che rende da una parte difficile la concezione, il pro-

getto e l’analisi del sistema strutturale, ed allo stesso tempo, ne rende difficile la ricostruzione

del fallimento. Sia in fase di progetto sia in fase di indagine è quindi necessario e opportuno,

individuare gli aspetti nelle varie dimensioni che caratterizzano la struttura o il suo fallimento.

Proprio le considerazioni relative alle crisi di differenti sistemi, sia strutturali, sia informatici

o anche organizzativi. Quest’ultimo punto, ricomprendendo il comportamento umano e so-

ciale, rende necessaria per la comprensione dell’accaduto una visione più ampia.

Per la difficoltà di comprensione e di giudizio di un sistema strutturale è necessario mettere

in rilievo il tipo di progetto in esame: si possono, infatti, distinguere progetti “evolutivi”, in

cui si adattano opportunamente concetti, metodi e elementi tipologici, e “innovativi”, in cui

si affrontano concetti, schemi e approcci nuovi e originali.

In termini astratti, attraverso la progettazione evolutiva si può pensare di operare una otti-

mizzazione locale della qualità strutturale, mentre nel secondo caso innovativo, l’introdu-

zione di nuovi concetti può portare a più elevati valori di qualità, riconducendosi ad una

ottimizzazione in grande, come illustrato schematicamente in Fig.13.a.

F. Bontempi

A queste maggiori potenzialità, vanno però associate ulteriori insidie, legate al fatto che si

affronta un terreno ignoto o in larga parte non esplorato precedentemente dalla Comunità

Scientifica e Tecnica. Varia quindi, conseguentemente, la quantità di conoscenza richiesta:

con riferimento alla Fig.13.b, nell’affrontare una situazione evolutiva, si può ritenere che

l’esperienza permetta un ricoprimento di conoscenza quasi completo, mentre nelle situazioni

evolutive, la conoscenza richiesta, nuova, è nettamente maggiore (Arangio, Bontempi, 2014).

La conoscenza, posseduta e richiesta, appare quindi un fattore discriminante nella progetta-

zione e nell’innesco di un fallimento strutturale. La Fig.14 sintetizza questo punto: in ascissa

si mette l’orizzonte temporale, il passato, il presente, il futuro; in ordinata è invece rappre-

sentata la percentuale di fallimenti strutturali. Nel corso del tempo, al crescere delle cono-

scenze della Comunità Scientifica e Tecnica, la percentuale di fallimenti dovuti a non cono-

scenza scientifica e tecnica diminuisce. Ad esempio, la situazione B, nel passato poteva por-

tare ad un collasso, al presente è riconosciuta (ad esempio a livello di ricerca) e affrontata e

nel futuro sarà infine codificata dal quadro normativo. Allo stesso tempo, nel presente, ci

sono delle situazioni come A senz’altro normate, e situazioni come C ignote ma che nel futuro

saranno prima riconosciute dalla ricerca e poi inquadrate dalla normativa.

L’aspetto significativo, e purtroppo pessimistico, della Fig.14 è il progressivo ruolo giocato

dall’errore umano nella origine dei fallimenti strutturali: questa causa prende via via il posto

della ignoranza dei vari fenomeni (NASA, 1995).

(a)

(b)

Figura 13. a) Progetti evolutivi e innovativi; b) conoscenza richiesta.


Figura 14. Cause di fallimento: con il progresso delle conoscenze si riduce la percentuale delle crisi

dovute a ignoranza ma aumenta quella legata all’errore umano.

5. GENESI E SVILUPPO DI UN FALLIMENTO

Se si pensa alla enorme varietà di situazioni in cui si sono presentati collassi strutturali o altri

tipi di incidenti, appare difficile se non impossibile trovare dei tratti in comune. Se questo è

senz’altro vero il molti casi, è però anche significativo che in altrettanti casi si può ricondurre

la dinamica di questi eventi negativi a un modello generale introdotto da Reason negli

Anni ’90 (Reason, 1990).

La Fig.15 illustra questo modello. E si considerano tutte le attività che portano alla realizza-

zione di una costruzione e al suo utilizzo, si può immaginare come una minaccia (hazard)

possa concretizzarsi in una crisi: in effetti, si può considerare che ogni attività (concettuale,

progettuale, normativa, realizzativa, manutentiva, di utilizzo, …) che ha portato alla situa-

zione attuale, sia come uno strato di protezione contro tale minaccia. Utilizzando una meta-

fora informatica, le varie attività svolte sono come dei “firewall” che proteggono da questa

minaccia: purtroppo, ciascun “layer” difensivo non è perfetto e presenta delle falle: i livelli

difensivi sono bucati, in maniera più o meno grave. Orbene, la minaccia si traduce in una

crisi quando queste deficienze difensive sono allineate: se le mancanze fossero presenti ma

non collineate, la minaccia sarebbe arrestata, ma la loro sincronicità porta all’insuccesso.

La potenza esplicativa di questo modello serve per interpretare sistemi strutturali (e anche

non strutturali) differenti: ad esempio in Fig.16 lo schema di Reason è applicato ad un pro-

blema di sicurezza contro l’incendio. In questo caso, si possono puntualizzare differenti li-

velli di difesa consistenti in:

a) caratteristiche passive del sistema:

concezione della struttura (tipologia, isostaticità, iperstaticità, …);

topologia (compartimentazione …) e geometria (forma e dimensioni,…);

materiali e componenti;

b) caratteristiche attive del sistema:

impianti di rilevamento e soppressione dell’incendio;

organizzazione delle squadre di intervento;

c) caratteristiche legate alla vita della struttura:

manutenzione;

utilizzo.

100%

Time

% o

f fa

ilure

Unknown phenomena

Known phenomena

Research

level

Design code

level

past present future

A

BB B

C

Hu

man

err

ors

F. Bontempi

E’ evidente l’importanza operativa di questo modello, sia nella fase di progetto, sia nella fase

di indagine: è essenziale comprendere le caratteristiche del sistema in oggetto e le sue possi-

bili debolezze.

Figura 15. Modello generale di Reason per lo sviluppo di una crisi.

Figura 16. Contestualizzazione del modello di Reason nel caso di una struttura passibile di incendio.

HAZARD

IN-D

EPTH

DEFE

NCE

HOLES DUE TO

ACTIVE ERRORS

HOLES DUE TO

HIDDEN ERRORS

STRUCTURAL

CONCEPTION

STRUCTURAL

TOPOLOGY

&

GEOMETRY

threats

No

Yes

threats

STRUCTURAL

MATERIAL

& PARTS

No

Yespassive

structural

characteristics

threats

FIRE DETECTION

& SUPPRESSION

No

Yes

active

structural

characteristics

threats

ORGANIZATION &

FIREFIGHTERS

No

Yes

threats

MAINTENANCE

& USE

No

Yes

threats

No

alive

structural

characteristics

Yes

STRUCTURAL

SYSTEM

CHARACTERISTICS

STRUCTURAL

SYSTEM

WEAKNESS


6. RICOSTRUZIONE DELL’EVENTO E RISALITA ALLE RESPONSABILITA’

Per tutto il contributo si è fatto riferimento, in parallelo, alla progettazione di un sistema

strutturale e all’indagine della sua crisi. In effetti, si ritiene che queste due fasi siano attività

complementari (Arangio, Bontempi, Crosti, 2012): il modo in cui si progetta e realizza una

cosa influenza come questa si rompe; a sua volta, lo studio e l’indagine della sua rottura,

possono portare a progettarla e realizzarla meglio la prossima volta con un guadagno di co-

noscenza come detto precedentemente.

Può essere utile considerare la Fig.17: sulla sinistra, è presentato quello che può essere con-

siderato un problema diretto dell’Ingegneria Strutturale: in questo caso, ad esempio, per una

struttura, assegnate le azioni, le caratteristiche geometriche e meccaniche oltre ai suoi vincoli,

si può predirne la risposta: questo è in generale un problema di analisi. Sulla destra, sono

invece considerati problemi inversi: sintesi (ovvero progettazione), identificazione e con-

trollo.

Figura 17. Problemi diretti e inversi.

In effetti, anche la ricostruzione dell’evento e la risalita alle responsabilità in caso di crisi

strutturale è un problema inverso (Cestelli-Guidi, 1987). E’ però evidente che la dimensione

del comportamento umano, colposo o doloso, influisce radicalmente sulla impostazione, sulla

formulazione e sulla sintesi della soluzione di questo problema inverso (Stella, 2000): in par-

ticolare, la spiegazione scientifica e tecnica della crisi, origine e dinamica, si deve confrontare

con la spiegazione giuridica della stessa. I due ambiti, “scientifico e tecnico” e “giuridico”

sono distinti ma, ovviamente, contigui.

Non si possono, poi, trascurare gli aspetti psicologici legati ai giudizi sui fatti e alle decisioni

sull’interpretazione (Plous, 1993).

In definitiva, in termini analitici, si può solo pensare ad una formulazione “debole” del pro-

blema e sarà essenziale dimostrare la logica con cui si è arrivati alla sintesi della “soluzione”.

Per tutti questi motivi, appare possibile solo indicare alcuni passi necessari alla risoluzione

di questo problema inverso:

1. sospendere il giudizio (ovvero non avere preconcetti o pregiudizi);

2. osservare e raccogliere (le persone e i fatti);

3. resistere alle pressioni (di tutte le parti);

4. accumulare (diligentemente e coscienziosamente i punti);

5. individuare uno schema spaziale e una dinamica;

6. arrivare dovutamente a una sintesi.

INPUT

Inverse ProblemsSynthesis

Identification

Control

OUTPUT

Actions

Structural response

Direct Problem

INPUT

OUTPUT

Geometric

and mechanical

characteristics

Actions

Structural response

Analysis

Geometric

and mechanical

characteristics

Damage states

Model updating

F. Bontempi

Un passo critico appare il 5) che prevede di individuare, da una parte, cosa e come ha fallito

in una costruzione, e dall’altra, lo sviluppo temporale. Per la prima parte di questo punto, è

essenziale avere in mente quanto ricordato nei paragrafi su “Sistema strutturale e sue carat-

teristiche”, “Ambiente di progetto, orizzonte temporale e natura delle azioni”, “Natura del

progetto”, mentre per lo sviluppo temporale è necessario fare riferimento al paragrafo “Ge-

nesi e sviluppo di un fallimento”.

Il momento finale di una spiegazione scientifica e tecnica di una crisi strutturale è rappresen-

tato da un diagramma di flusso in cui tutti i passaggi sono ordinatamente incasellati come in

Fig.18. Nell’ottica del modello di Reason, in questo “time scheduling” si potranno ricono-

scere momenti precursori della crisi, ragioni profonde e passaggi critici, e, infine, cause con-

tingenti o inneschi. Infine, a questo time-scheduling sarà allora possibile sovrapporre un pro-

filo di responsabilità come in Fig.19.

Figura 18. Time scheduling: sviluppo di una crisi strutturale.

Figura 19. Profilo di responsabilità lungo il progresso di una crisi.

ASPETTI STRUTTURALI /

PROGETTUALI

ASPETTI REALIZZATIVI /

SICUREZZA SUL LAVORO

ATTIVITA' DI

DEMOLIZIONE

NON ADEGUATA

MANCATA

VIGILANZA

AMMINISTRAZIONI

MANCATO

CONTROLLO

DIREZIONE LAVORI /

RESPONSABILE SICUREZZA

IN FASE DI ESECUZIONE

PIANO DI DEMOLIZIONE

NON ADEGUATO /

MANCANZA PROGETTO

DI DEMOLIZIONE

ESTESA

COMPRENSIONE DEL

SISTEMA STRUTTURALE

ESISTENTE

(AGGREGATO EDILIZIO)

INSUFFICIENTE

PROGETTO

CARENTE

MANCATO

RISPETTO

NORME

TECNICHE

COSTRUZIONI

ASPETTI AUTORIZZATIVI /

AMMINISTRATIVI

PRATICA

EDILIZIA

PRATICA

URBANISTICA

INIZIOCROLLO

ASPETTI STRUTTURALI /

PROGETTUALI

ASPETTI REALIZZATIVI /

SICUREZZA SUL LAVORO

ATTIVITA' DI

DEMOLIZIONE

NON ADEGUATA

MANCATA

VIGILANZA

AMMINISTRAZIONI

MANCATO

CONTROLLO

DIREZIONE LAVORI /

RESPONSABILE SICUREZZA

IN FASE DI ESECUZIONE

PIANO DI DEMOLIZIONE

NON ADEGUATO /

MANCANZA PROGETTO

DI DEMOLIZIONE

ESTESA

COMPRENSIONE DEL

SISTEMA STRUTTURALE

ESISTENTE

(AGGREGATO EDILIZIO)

INSUFFICIENTE

PROGETTO

CARENTE

MANCATO

RISPETTO

NORME

TECNICHE

COSTRUZIONI

ASPETTI AUTORIZZATIVI /

AMMINISTRATIVI

PRATICA

EDILIZIA

PRATICA

URBANISTICA

INIZIOCROLLO

responsabilità

tempo


RINGRAZIAMENTI

Quanto presentato sintetizza la ricerca che è stata sviluppata a partire dalla fine degli Anni ’90

presso la Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Roma La Sapienza, da un

gruppo di ricerca composto da Stefania Arangio, Francesco Petrini, Chiara Crosti, Konstan-

tinos Gkoumas, con passati contributi di Luca Sgambi, Luisa Giuliani, Filippo Gentili, Fran-

cesca Brando, Pierluigi Olmati, mentre attualmente il gruppo comprende anche Paolo Emidio

Sebastiani, Mario Forlino, Giordana Gai e Marcello Mangione.

Gli oltre 200 studenti che in questi anni hanno sviluppato la loro tesi di laurea presso questo

gruppo hanno contribuito significativamente a individuare e definire temi e applicazioni.

Sono, tutti, sinceramente ringraziati.

I concetti e i metodi presentati sono dovuti anche all’essenziale attività di ricerca e consulenza

sviluppata nello spin-off StroNGER s.r.l. – www.stronger2012.com.

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INGEGNERIA FORENSE STRUTTURALE: BASI DEL PROGETTO E RICOSTRUZIONE DEI COLLASSI

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